轉角模塊對晶圓劃切質量的影響因素研究

李超，潘繼先，韓華超，蔣興橋，李東旭，陳立新

（沈陽儀表科學研究院有限公司，遼寧 沈陽 110094）

砂輪劃片機主要是通過高速旋轉的砂輪片強力磨削晶圓片加工出溝槽或切斷。砂輪劃片機通過電機的步進運動帶動空氣軸承主軸一起運動，通過空氣軸承主軸的高速旋轉帶動砂輪片劃切真空吸附在轉角模塊上的晶圓片，在晶圓片上切出溝槽或者切斷，該劃切晶圓片的過程為砂輪劃片機的切片過程。砂輪劃片機的工作示意如圖1，砂輪片劃切晶圓的磨削原理圖如圖2。

隨著半導體技術的發(fā)展，市場對劃切工藝設備的要求越來越嚴格，對其切割精度更高、崩邊更小、開槽寬度更窄等技術指標更加迫切。因此，各家半導體生產商都在劃片機的結構方面做了改進。在砂輪片劃切不同材質以及轉角模塊的參數方面的各個參數對砂輪片劃切晶圓的影響非常重要。因此，提高劃切晶圓橫斷面的刀口面質量以及砂輪劃片機的安裝調試效率成為劃片機劃切工藝的主要研究方向。本文通過改進砂輪劃片機轉角機構調平轉角模塊的水平度并對晶圓磨削橫斷面的影響因素進行研究。

1 影響劃切因素

1.1 安裝工藝因素

砂輪劃片機的結構主要由X、Y、Z、T軸四個部分模塊所組成的。其中影響晶圓橫斷面切口面的因素主要有X軸模塊的直線度、Y軸模塊的步進精度以及直線度、Z軸模塊的重復定位精度、主軸的俯仰水平精度、T軸模塊的轉角精度、吸盤上水平面相對于Y軸進給方向的水平度。其中X軸模塊的劃切直線度決定晶圓劃切的溝槽直線度，Y軸模塊的步進精度決定切割晶粒的邊長是否一致，Y軸模塊的直線度對刀口的寬度有影響。Z軸模塊的重復定位精度決定晶圓磨削留厚的一致性。空氣軸承主軸的俯仰水平精度影響磨削時刀口的橫斷面是否垂直于吸盤臺面。T軸模塊的轉角精度決定磨削時晶粒相鄰兩條邊所夾的角度，如圖3所示。

圖3 磨削溝槽

其中T軸模塊的轉角吸盤上面的相對于Y軸模塊進給方向的水平度是磨削過程中導致切口的崩邊和是否切偏的主要因素。如圖4所示，在空氣軸承主軸的俯仰水平調節(jié)在合理范圍的情況下，若轉角吸盤上表面與Y軸模塊進給方向不平行，那么在切割過程中將會出現夾角，磨削的晶粒質量就難以保證。由于磨削過程中可能會產生背崩的情況，背面崩邊可能是由裝配關系、冷卻液、吸盤負壓等因素決定。

圖4 晶圓磨削截面圖

1.2 冷卻水因素

砂輪劃片機磨削物料時有兩路冷卻水對磨削位置及刀片磨削點進行冷卻。磨削晶圓片的過程中冷卻液可以帶走砂輪片磨削物料的殘渣以及磨削所產生大量的熱為砂輪片及磨削點降溫，通常調節(jié)范圍0L/min～1L/min。

1.3 真空吸力因素

真空吸盤所產生的負壓將物料或UV膜吸附在吸盤上，由于有時吸附壓力不穩(wěn)，導致物料在吸盤上受力不均而發(fā)生物料局部地方翹曲，當高速旋轉的砂輪磨削到了翹曲的地方，就會發(fā)生磨削留厚不均的現象。通常吸盤吸附晶圓或UV膜后負壓達到-80kPa來保證晶圓片的切削面牢牢吸附在吸盤的上表面。

2 改進調平轉角機構

2.1 轉角調平機構

砂輪劃片機的當前常用調平機構為配磨圓柱，調平時，需要技工配磨圓柱的上表面依次試驗四角的調平高度費時費力，對技師要求水平較高。而改進轉角模塊調平機構，將轉角模塊吸盤水平方向調節(jié)達到與Y軸進給面平行的效果，使Y軸主軸的切割晶圓的深度、切割角度達到一個參數設定要求。調平機構由原來的配磨支撐柱改為螺紋調節(jié)，降低了調節(jié)難度以及調試維修人員的要求。

2.2 改進調平機構

劃片機轉角調平裝置其滑板需要預先固定在劃片機導軌滑塊上，轉角調平機構安裝在其上，滑板四周分別垂直固定設有個轉角調平機構。將調整地腳錨栓通過螺紋連接擰入滑板內，將調整地腳孔配合一端插入轉角基準板的孔內。將帶有調整地腳的轉角基準板安放在調整地腳錨栓的調整地腳錨栓調整接觸球面內。將內六角圓柱頭螺柱套上彈墊和平墊后從轉角基準板一側穿入轉角基準板、調整地腳、調整地腳錨栓及滑板內并擰緊內六角圓柱頭螺柱。將調整地腳錨栓及調整地腳通過內六角圓柱頭螺柱壓緊轉角基準板與滑板。當轉角模塊吸盤的水平度未達到技術要求時，擰松內六角圓柱頭螺柱，使用活扳手卡住調整地腳錨栓的兩個平行的平面，使其旋轉調整地腳錨栓調節(jié)滑板與轉角基準板間的高度，達到一個調節(jié)水平的效果，最后擰緊內六角圓柱頭螺柱，如圖5所示，調平機構示意圖如圖6所示。

圖5 轉角模塊結構示意圖

圖6 調平結構示意圖

3 實驗

3.1 實驗內容

本案例以切割1mm厚的玻璃板為實驗物料，使用刀片的規(guī)格58×40×0.07-4/6的金剛石砂輪片、設定步距長度為5mm，進刀速度為2mm/s。前置噴水量設置為0.5L/min，側噴水量設置為0.4L/min，空氣軸承主軸的俯仰水平均調節(jié)到5μm內。通過改進的轉角調平機構調節(jié)吸盤與Y軸模塊進給方向的水平度，來測量切斷面的傾角以及崩邊尺寸來判別切斷面質量與轉角平面之間的關系，通調節(jié)吸盤下方的四個調平地腳，配平吸盤的四個端角與主軸進給方向的水平度。通過驅動Z軸帶動主軸砂輪分別輕接觸吸盤表面的測量測高位置四個點的高度，運動控制卡通過檢測砂輪接觸吸盤時使電流回路閉合產生的電信號，運動控制卡收到檢測信號后，發(fā)出指令Z軸抬刀，測高檢測完成。

3.2 實驗結果

表1為實驗所得磨削玻璃片橫斷面夾角及崩邊數據。

表1 調節(jié)轉角水平度對切口的影響

僅考慮測高位置2、3對角度和崩邊的影響，在一定范圍內，當轉角的上表面水平度差越大時，玻璃的切割橫斷面所產生的夾角也越大，并且磨削時產生的崩邊也會漸漸隨之加大。

4 結語

砂輪片磨削溝槽所產生的各種偏差都可能是由多種因素產生的。但由轉角吸盤上面的相對Y軸進給方向的水平度是磨削過程中導致切口的崩邊和是否切偏是主要因素。所以，針對轉角的水平度對晶圓橫切面的角度及崩邊的切割工藝還需大量的實驗獲得更多的數據保證晶圓的切割質量。一個方便調節(jié)轉角水平的調節(jié)機構不僅能節(jié)約安裝調試時間，并且也為晶圓的磨削質量提供一個良好的基礎。